リチウムの同位体

リチウムの同位体（₃ Li）
標準原子量 A r °(Li)
	[6.938、 6.997 ] ; 6.94 ± 0.06 （要約）;
	ビュー; 話す; 編集;

天然に存在するリチウム（₃ Li）は、リチウム6（⁶ Li）とリチウム7（^{7 Li）の2つの}安定同位体で構成されており、後者は地球上ではるかに豊富です。天然の同位体は両方とも、核子あたりの核結合エネルギーが予想外に低い（5 332 .3312(3) keV ⁶ Liおよび5 606 .4401(6) keVの^7Li）は、隣接するより軽い元素と重い元素であるヘリウム（7 073 .9156(4) keV（ヘリウム4）およびベリリウム（6 462 .6693(85) keV（ベリリウム9の場合）である。リチウムの最も長寿命な放射性同位体は⁸ Liで、半減期はわずか838.7(3) ^ミリ秒。9 Liの半減期は178.2(4) ms、¹¹ Liの半減期は8.75(6) ms 。リチウムの残りの同位体はすべて半減期が10ナノ秒未満です。リチウムの最も短寿命の同位体は⁴ Liで、半減期は約10ナノ秒で陽子放出により崩壊します。91(9) ヨクト秒(9.1(9) × 10 ⁻²³ s ）であるが、 ³ Liの半減期はまだ決定されておらず、 ² He （ヘリウム2、二陽子）のように、はるかに短いと思われる。10 ⁻⁹秒。

⁷ Li と⁶ Li はどちらもビッグバンで生成された2つの原始核種で、^{7 Li はすべての原始核種の10}⁻⁹を占め、⁶ Li は約10 ⁻¹³です。^[4]⁶ Liのわずかな割合は、特定の星の核反応によって生成されることも知られています。リチウム同位体は、鉱物形成（化学的沈殿およびイオン交換）を含むさまざまな地質学的プロセス中に多少分離します。粘土の特定の八面体位置でリチウムイオンがマグネシウムまたは鉄を置き換え、リチウム6が⁷ Liよりも優先されることがあります。このため、地質学的プロセスで ⁶ Liがいくらか濃縮されます。

原子核物理学では、⁶ Li は重要な同位体です。これは、中性子が照射されるとトリチウムが生成されるからです。

⁶ Liと⁷ Liの同位体はどちらも四極子（核スピンが1+と3/2−）であるにもかかわらず、核磁気共鳴効果を示します。 ⁶ Liの線はよりシャープですが、存在比が低いため、より感度の高いNMR分光計が必要です。⁷ Liはより豊富ですが、核スピンが大きいため、線は広くなります。化学シフトの範囲は両方の核で同じで、+10（液体NH _3中のLiNH ₂の場合）から-12（フラーレン中のLi+の場合）の範囲にあります。^[5]

同位体のリスト

^ ^m Li – 励起核異性体。
^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
^ # – # でマークされた原子質量: 値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されます。
^ 崩壊のモード:
^ 太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数によるスピンを示します。
^ # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種の傾向 (TNN) から導き出されたものです。
^ この同位体の発見は未確認である
^ ab 示されている崩壊モードはエネルギー的には許容されるが、この核種で発生することは実験的に観察されていない。
^ 数少ない安定した奇奇核の一つ
^ ビッグバン元素合成と宇宙線破砕によって生成された
^ 直ちに2つのα粒子に崩壊し、 ⁸ Li → 2 ⁴ He + e ⁻の反応が起こる。
^直ちに2つのα粒子に崩壊し、 ⁹ Li → 2 ⁴ He + ¹ n + e ⁻の反応が起こる。
^ ハロー中性子が2個ある
^すぐに2つの ⁴ He原子に崩壊し、¹¹ Li → 2 ⁴ He + 3 ¹ n + e ⁻という反応が起こります。

同位体分離

コレックス分離

リチウム 6 はリチウム 7 よりも水銀元素との親和性が高い。リチウムと水銀のアマルガムを水酸化リチウムを含む溶液に加えると、アマルガム中のリチウム 6 はより濃縮され、水酸化リチウム溶液中のリチウム 7 はより濃縮される。

コレックス（カラム交換）分離法では、アマルガムと水酸化物を段階的に逆流させることでこれを利用し、リチウム 6 の画分は水銀によって優先的に排出されますが、リチウム 7 は主に水酸化物とともに流れます。カラムの底部では、リチウム（リチウム 6 が濃縮されている）がアマルガムから分離され、水銀は回収されて新しい原料とともに再利用されます。上部では、水酸化リチウム溶液が電気分解されてリチウム 7 画分が遊離します。この方法で得られる濃縮度は、カラムの長さと流速によって異なります。

その他の方法

真空蒸留法では、リチウムを約100℃の温度に加熱し、真空中で550 ℃に加熱します。リチウム原子は液体表面から蒸発し、液体表面から数センチ上方に配置された冷たい表面に集められます。^[8]リチウム6原子は平均自由行程が大きいため、優先的に集められます。この方法の理論的な分離効率は約8.0パーセントです。より高い分離度を得るために、多段階のプロセスが使用される場合があります。

リチウムの同位体は、原理的には、現在開発中の電気化学的方法と蒸留クロマトグラフィーによっても分離することができる。^[9]

リチウム3

リチウム3は三陽子とも呼ばれ、3つの陽子と0個の中性子から構成される。1969年に陽子が束縛されていないと報告されたが、この結果は受け入れられず、その存在は証明されていない。^[10]³
李
報告されており、即発陽子放出によって崩壊すると予想されている（二陽子のように、²
彼
）。^[11]

リチウム4

リチウム4は3つの陽子と1つの中性子から構成されています。リチウムの同位体の中で最も寿命が短く、半減期は91(9) ヨクト秒(9.1(9) × 10 ⁻²³ s）で崩壊し、陽子放出によってヘリウム3に崩壊する。^[12]リチウム4は、いくつかの核融合反応の中間体として生成されることがある。

リチウム6

リチウム6は、トリチウム（水素3）製造の原料として、また核融合反応における中性子吸収体として貴重である。通常の物質中の地球上のリチウムの1.9%から7.8%はリチウム6で、残りはリチウム7である。大量のリチウム6は、熱核兵器に投入するために分離されている。現在までに、大規模な熱核保有国ではリチウム6の分離は停止しているが^[要出典]、これらの国にはリチウム6の備蓄が残っている。

重水素-三重水素核融合反応は、現時点では実行可能な十分なエネルギー出力を持つ唯一の核融合反応であるため、可能性のあるエネルギー源として研究されてきた。このシナリオでは、必要な量の三重水素を生成するために、リチウム6が濃縮されたリチウムが必要となる。このシナリオでは、鉱物および塩水のリチウム資源が潜在的な制限要因となるが、最終的には海水も使用できる。^[13] CANDUなどの加圧重水炉は、中性子吸収により冷却材/減速材中に少量の三重水素を生成するため、リチウム6の使用の代替としてこれが抽出されることがある。

リチウム6は、スピン1を持つわずか4つの安定同位体のうちの1つであり、他の3つは重水素、ホウ素10、窒素14であり、^[14]安定核の中で最も小さい非ゼロの核電気四重極モーメントを持っています。

リチウム7

リチウム7はリチウムの同位体として圧倒的に多く存在し、地球上のリチウム全体の92.2%から98.1%を占める。リチウム7原子には陽子3個、中性子4個、電子3個が含まれる。リチウム7は核特性を持つため、ヘリウム、炭素、窒素、酸素の原子核が重いにもかかわらず、宇宙ではリチウム7はこれらよりも少ない。キャッスル・ブラボー熱核実験は、リチウム7の核特性に関する誤った仮定により、予想を大幅に上回る結果となった。

リチウム6の工業生産により、リチウム7が豊富に含まれ、リチウム6が枯渇した廃棄物が生成される。この物質は商業的に販売されており、一部は環境に放出されている。ペンシルバニア州ウェストバレークリークの地下の炭酸塩帯水層の地下水では、リチウム7の相対的存在量が自然値より35パーセントも高いことが測定されている。この帯水層はリチウム処理工場の下流にある。通常の物質中のリチウムの同位体組成は、その起源によって多少異なる可能性があり、起源によって原料中の相対原子質量が決まる。リチウムサンプルの正確な相対原子質量は、すべてのリチウム源について測定できるわけではない。^[15]

リチウム7は、溶融塩炉（液体フッ化物原子炉）の溶融フッ化リチウムの一部として使用されます。リチウム6の中性子吸収断面積（約940 バーン^{[16] ）はリチウム7の中性子吸収断面積が非常に小さい（約45}ミリバーン）のに比べて大きいため、リチウム7を天然リチウムから高度に分離することが、フッ化リチウム原子炉での使用を可能にするための強い要件となります。

リチウム7水酸化物は加圧水型原子炉の冷却材をアルカリ化するために使用されます。^[17]

数ピコ秒間、リチウム7が生成され、その核にはラムダ粒子が含まれているが、原子核には一般に中性子と陽子しか含まれていないと考えられている。^[18]^[19]

リチウム8

リチウム8は、ベリリウム8への逆ベータ崩壊によって生成される6.4 MeV電子反ニュートリノの発生源として提案されている。ISODAR粒子物理学共同研究チームは、サイクロトロン粒子加速器によって生成された60 MeV陽子を安定したリチウム7に衝突させることで、即時崩壊するリチウム8を生成する計画を述べている。^[20]

リチウム11

リチウム11は、リチウム9の核と2つの緩く結合した中性子で囲まれたハロー核です。この系が結合するには両方の中性子が存在する必要があり、「ボロミアン核」と説明されています。^[21]¹¹ Liの陽子の二乗平均平方根半径は2.18+0.16
−0.21 fmでは、その中性子半径ははるかに大きくなります3.34+0.02
−0.08 fm ;比較のために、 ⁹ Liの対応する数値は以下のとおりです。陽子については2.076 ± 0.037 fm 、中性子に対しては2.4 ± 0.03fmである。 ^[22]ベータ放出と中性子放出によって崩壊し、¹⁰
なれ
、¹¹
なれ
、または⁹
なれ
（上記および下記の表を参照）。リチウム11は8個の中性子という魔法数を持ち、5つの既知の反転島のうち最初の島に位置しており、これが隣接する原子核に比べて半減期が長い理由である。^[23]

リチウム12

リチウム12の半減期はかなり短く、中性子放出によって崩壊し、¹¹
李
、これは前述のように崩壊します。

崩壊連鎖

ベリリウム同位体^へのβ崩壊（単一または複数の中性子放出を伴うことが多い）はリチウムのより重い同位体では優勢であるが、¹⁰
李
そして¹²
李
中性子放出による崩壊により⁹
李
そして¹¹
李
それぞれ中性子ドリップラインを超えた位置にあるためである。リチウム11は複数の形態の核分裂を経て崩壊することも観測されている。⁶
李
陽子の滴下線を超えるため、陽子放出のみで崩壊する。¹⁰
李
不明です。

{\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{4}_{3}Li->[91~{\ce {ys}}]{^{3}_{2 }彼}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{5}_{3}Li->[370~{\ce {ys}}]{^{4}_{2}He}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{8}_{3}Li->[838.7~ {\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{9}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{ 10}_{3}Li->[2~{\ce {zs}}]{^{9}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{10}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{ -}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{11}_{4}Be}+e^{-}} }\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{9}_{4}Be}+2{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3 }Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+3{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{ \ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{7}_{2}He}+{^{4}_{2}He}+e^{ -}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{3}Li}+{^{3}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3} Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{9}_{3}Li}+{^{2}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{12}_{3} Li->{^{11}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{}\end{配列}}

参照

宇宙論的リチウム問題
二リチウム – 二原子分子
ハロー核
リチウム燃焼 – リチウムが恒星内で消費されるプロセス

参考文献

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外部リンク

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[10] 崩壊のモード:

[11] 太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。

[12] ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数によるスピンを示します。

[TNN-13] # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種の傾向 (TNN) から導き出されたものです。

[14] この同位体の発見は未確認である

[decay_mode_1-15] 示されている崩壊モードはエネルギー的には許容されるが、この核種で発生することは実験的に観察されていない。

[16] 数少ない安定した奇奇核の一つ

[18] ビッグバン元素合成と宇宙線破砕によって生成された

[19] 直ちに2つのα粒子に崩壊し、 ⁸ Li → 2 ⁴ He + e ⁻の反応が起こる。

[20] ^直ちに2つのα粒子に崩壊し、 ⁹ Li → 2 ⁴ He + ¹ n + e ⁻の反応が起こる。

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